DE3635462A1

DE3635462A1 - Feldeffekt-drucksensor

Info

Publication number: DE3635462A1
Application number: DE19863635462
Authority: DE
Inventors: Masaya Hihikigawa; Shuji Miyoshi; Hisashi Akiyama
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1985-10-21
Filing date: 1986-10-18
Publication date: 1987-04-23
Also published as: US4894698A; DE3635462C2; GB8625084D0; GB2183906B; GB2183906A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, der zum Nachweis der Druckdifferenz zwischen der Luft als Bezugsatmosphäre und dem Inneren einer Flüssigkeit in Form eines abgegebenen elektrischen Signals befähigt ist.

Üblicherweise wird die Druckmessung unter Ausnutzung mechanischer Veränderungen einer Bourdon'schen Röhre, eines Faltenbalgs, einer Membran oder dergleichen zur Messung des Druckes in der Atmosphäre oder in einer Flüssigkeit durchgeführt. Diese Methode findet wegen ihrer niedrigen Kosten und ihrer Einfachheit allgemein weit verbreitete Anwendung. Mittels der Entwicklung der elektronischen Technologie wird die Entwicklung eines Drucksensors angestrebt, der die Druckänderungen in Form eines elektrischen Ausgangs-Signals mißt, damit man mit diesem weiter arbeiten kann. Der Drucksensor, der Druckänderungen in Form eines abgegebenen elektrischen Signals mißt, eignet sich dazu, in einfacher Weise mit einem System der Datenverarbeitung verbunden zu werden, und ermöglicht eine bequeme automatische Messung und Steuerung. Außerdem vermag die Operation der Ausgabe der Meßwerte direkt in Form elektrischer Signale die Drücke mit hoher Genauigkeit zu messen und eine raschere Antwort- Geschwindigkeit zu bewirken und macht es einfacher, Meßgeräte mit kleineren Abmessungen und niedrigerem Gewicht verfügbar zu machen.

Dementsprechend hat man verschiedene Typen von Drucksensoren untersucht und entwickelt, wie sie im Folgenden aufgelistet sind:
(1) Drucksensor mit auf einer Metallmembran befestigtem Metallfolien-Dehnungsmeßgerät;
(2) Drucksensor mit Silicium-Membran;
(3) Drucksensor unter Benutzung eines piezoelektrischen Materials wie PVDF oder ZnO;
(4) Quarz-Drucksensor;
(5) Drucksensor unter Ausnutzung der Kapazitätsänderung.

Von diesen konventionellen Drucksensoren, wie sie oben aufgeführt sind, ist der Drucksensor (1) mit einem auf einer Metallmembran befestigten Metallfolien-Dehnungsmeßgerät ein Drucksensor, bei dem die Änderungen des elektrischen Widerstandes der Metallfolie aufgrund ihrer Spannung/Dehnung gemessen werden, wobei die Metallfolie aufgrund der Verformung der Membran unter dem Druck gedehnt wird. Der Vorteil liegt darin, daß hohe Drücke gemessen werden können, und auch die Temperaturcharakteristik sowie die Beständigkeit über einen langen Zeitraum hinweg sind vorzüglich. Der Nachteil ist jedoch der, daß die Empfindlichkeit solcher Sensoren schwach ist und daß es schwierig ist, sie in kleinerer und leichterer Bauweise herzustellen.

Der Drucksensor (2) mit Silicium-Membran beruht auf dem Piezowiderstands-Effekt, daß der spezifische Widerstand des Si sich ändert, wenn Druck auf den Si-Kristall einwirkt. Der Drucksensor, der Si als Metall verwendet, kann in Massenproduktion gefertigt werden und eignet sich zur Integration mit peripheren Schaltungen durch den Einsatz der Halbleiter-Technik, während eine Temperatur- Kompensationsschaltung erforderlich ist, da eine hohe Temperaturabhängigkeit besteht. Tatsächlich werden auch Drucksensoren mit einer Temperatur-Kompensationsschaltung, die integriert mit dem Si-Drucksensor auf dem gleichen Si-Substrat ausgebildet ist, gefertigt. Der Drucksensor dieses Typs hat jedoch den Nachteil, daß er teuer ist und daß das Sensor-Element aufgrund der schlechten mechanischen Festigkeit der Si-Membran leicht beschädigt werden kann.

Der Drucksensor (3) unter Benutzung eines piezoelektrischen Materials wie PVDF oder ZnO ist ein Drucksensor, der auf dem Piezowiderstands-Effekt beruht, daß die piezoelektrischen Stoffe eine elektromotorische Kraft erzeugen, wenn sie unter Druck verformt werden. Der Vorteil besteht darin, daß ein solcher Drucksensor eine geringe Größe und ein niedriges Gewicht besitzt und daß seine Abgabeleistung hoch ist. Der Nachteil besteht darin, daß die Nachweisgenauigkeit schlecht ist und daß die Gefahr besteht, daß durch Schwingungen verursachtes Signalrauschen aufgenommen wird.

Der Quarz-Drucksensor (4) macht sich die Eigenschaft von Quarz zunutze, daß dessen Schwingungsfrequenz sich linear mit dem Druck ändert. Ihm haftet der Nachteil an, daß er teuer ist und seine Herstellung in kleinerer und leichterer Bauweise schwierig ist.

Der Drucksensor (5) nimmt die Bewegung der Membran als elektrostatische Kapazitätsänderung auf. Kürzlich wurde ein ultrakleiner Drucksensor auf der Basis einer elektrostatischen Kapazitätsänderung unter Verwendung einer Si-Membran entwickelt. Es wird dargelegt, daß ein ultrakleiner Drucksensor des auf der Basis einer elektrostatischen Kapazitätsänderung arbeitenden Typs empfindlicher und stabiler ist als der Si-Drucksensor auf der Basis des Piezowiderstands-Effekts. Der Nachteil liegt darin, daß der ultrakleine Drucksensor des auf der Basis einer elektrostatischen Kapazitätsänderung arbeitenden Typs einen außerordentlich kleinen Wert der elektrostatischen Kapazität besitzt, d. h. daß die Impedanz extrem hoch ist und daß die Wahrscheinlichkeit besteht, daß sie durch das äußere Rauschen beeinflußt wird.

Wie im Vorstehenden dargelegt wurde, genügen die konventionellen Drucksensoren nicht den Anforderungen in bezug auf Leistung oder Preis und haben verschiedene Probleme, die gelöst werden müssen, bevor sie zum praktischen Einsatz kommen.

Die Anmelderin der vorliegenden Erfindung hat einen neuen und nützlichen Drucksensor in der am 14. 03. 1986 eingereichten DE-Patentanmeldung P 36 08 633 vorgeschlagen, der in ultrakleiner Größe und zu geringen Kosten mit Hilfe der Halbleitertechnik unter Einsatz eines Feldeffekt-Transistors gefertigt werden kann.

Bei dem früher von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Feldeffekt-Drucksensor wird eine Hohlkammer in dem oberen Teil des Gate-Isolierfilms des Feldeffektors angeordnet, die Gate-Elektrode, die durch den Druck beweglich verformt werden kann, wird auf dem Gate-Isolierfilm vermittels der Hohlkammer gebildet. Die vermittels der Hohlkammer auf dem Gate-Isolierfilm angeordnete Gate-Elektrode wird unter dem Druck beweglich verformt, so daß der Abstand zwischen der Gate-Elektrode und dem Gate-Isolierfilm sich ändert, wodurch eine Änderung der an dem Kanal anliegenden Elektroden-Feldstärke verursacht wird. Als Folge davon läßt sich der Druck in Form der Änderung des Drain-Stroms des Feldeffekt- Transistors nachweisen.

Bei dem von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung früher vorgeschlagenen Feldeffekt-Drucksensor wird die vermittels der Hohlkammer auf dem Gate-Isolierfilm wie oben beschrieben angeordnete Gate-Elektrode unter dem Druck beweglich verformt, so daß der Abstand zwischen der Gate-Elektrode und dem Gate-Isolierfilm sich ändert, wodurch eine Änderung der an dem Kanal anliegenden Feldstärke verursacht wird. Demzufolge läßt sich der Druck in Form der Änderung des Drain-Stroms des Feldeffekt- Transistors nachweisen. Aufgrund der verschiedenen Untersuchungen ist die Schwankung der Abgabeleistung aufgrund der Temperaturschwankung und der alterungsbedingten Schwankungen vergleichsweise groß.

In Form des von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung früher vorgeschlagenen Feldeffekt-Drucksensors wird nämlich ein Drucksensor vom Absolut-Druck-Typ konstruiert, der so ausgelegt ist, daß je nach Bauweise die Hohlkammer unter einem konstanten Druck oder Vakuum gehalten wird.

Der Feldeffekt-Drucksensor vom Absolut-Druck-Typ hält die Hohlkammer unter einem konstanten Druck, um die bewegliche Verformung der Metallfolien-Membran auf dem oberen Teil des Gate-Isolierfilms des Feldeffekt- Transistors unter dem Einfluß der Druckschwankung der äußeren Atmosphäre auszunutzen. In dem Drucksensor vom Absolut-Druck-Typ ist es erforderlich, dafür zu sorgen, daß die Hohlkammer vollständig luftdicht ist, damit die Hohlkammer unabhängig von den alterungsbedingten Schwankungen auf einem konstanten Druck oder unter einem konstanten Vakuum gehalten wird. Das Abstandhalter-Material zur Bildung der Hohlkammer muß streng ausgewählt werden, und die Haftfähigkeit zwischen dem Abstandhalter und der Membran aus der metallischen Folie muß genügend erhöht werden.

Weiterhin sind, wenn in der praktischen Fertigung die geschlossene Hohlkammer unter konstanten Druck gesetzt wird, die durch Temperatur der Hohlkammer bewirkten Druckänderungen groß, und die metallische Membran wird verschoben, was Schwankungen der Abgabeleistung des Feldeffekt-Transistors verursacht.

Infolgedessen ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen neuen und nützlichen Feldeffekt-Drucksensor vom Differenzdruck-Typ verfügbar zu machen, der den früher von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Feldeffekt-Drucksensor dahingehend verbessert, daß die Schwankungen der Abgabeleistung aufgrund der Temperaturänderung und der Alterungsschwankungen bis zum äußerst Möglichen gesteuert werden können.

Zur Lösung der oben genannten Aufgabe besitzt der Feldeffekt- Drucksensor der vorliegenden Erfindung eine Hohlkammer im oberen Teil des Gate-Isolierfilms des ein Halbleiter-Substrat verwendenden Feldeffekt-Transistors, eine Gate-Elektrode, die durch den Druck auf die Hohlkammer beweglich verformt werden kann, und eine Öffnung in dem Halbleiter-Substrat, über die die Hohlkammer mit dem äußeren Teil in Verbindung steht.

In solchen Anordnungen wie der oben beschriebenen wird die über der Hohlkammer auf dem Gate-Isolierfilm angeordnete Gate-Elektrode durch die Druck-Differenz zwischen der Meßatmosphäre und der mit der Außenluft als Bezugsatmosphäre in Verbindung stehenden Hohlkammer beweglich deformiert, wodurch die an dem Kanal anzulegende Feldstärke verändert wird. Als Folge davon wird die Druckdifferenz in Form der Änderung des Drain-Stroms des Feldeffekt-Transistors nachgewiesen.

Die Öffnung in dem Halbleiter-Substrat ist vorgesehen, damit der Drucksensor als Drucksensor vom Differenzdruck- Typ verfügbar gemacht wird, dessen Hohlkammer mit dem äußeren Teil in Verbindung steht. Die Membran erleidet nur dann eine Verschiebung, wenn die Druckdifferenz ohne Einwirkung des Drucks auf die Gate-Elektrode, die wie in dem Drucksensor vom Absolut-Druck-Typ aus der Membran besteht, verursacht wird. Somit werden normalerweise in der Membran oder in dem Abstandhalter, die die Hohlkammer bilden, keine Verzerrungen verursacht. Als Folge davon läßt sich ein Sensor mit längerer Nutzungsdauer erhalten, der keine durch Temperaturschwankungen und Alterungsschwankungen bedingte Änderungen der Festigkeit erleidet.

Diese und andere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind der folgenden Beschreibung in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen zu entnehmen.

Fig. 1 zeigt eine Querschnitts-Ansicht des Aufbaus eines Feldeffekt-Drucksensors vom Differenzdruck-Typ gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Querschnitts-Ansicht des Aufbaus eines Feldeffekt-Drucksensors gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung der Kennlinie der Druckabhängigkeit der elektrostatischen Kapazität eines Kondensators, der den Druck aufnimmt, errichtet auf dem oberen Teil des Gate-Bereichs des Feldeffekt- Transistors.

Fig. 4 und Fig. 5 zeigen jeweils Querschnitt-Ansichten zur Veranschaulichung von Verfahren, bei denen die Höhlung unter Verwendung des gemäß der vorliegenden Erfindung einzusetzenden Poly-α-methylstyrols hergestellt wird.

Vor dem Fortgang der Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist anzumerken, daß in den beigefügten Zeichnungen gleiche Teile durch gleiche Bezugszahlen bezeichnet sind.

In den Zeichnungen ist ein Feldeffekt-Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, der die Charakteristik aufweist, daß der Drain-Strom des Feldeffekt- Transistors sich unter dem Einfluß des an den Kanal anzulegenden Feldes ändert und die Gate-Elektrode des oberen Teils des Kanals als Unterteil- (Hilfs-) Gate- Elektrode direkt auf dem Gate-Isolierfilm angeordnet ist, wie die Oberteil-Gate-Elektrode über die Hohlkammer und die Löcher in dem Gate-Isolierfilm mit dem äußeren Teil in Verbindung steht, so daß die Oberteil-Gate- Elektrode durch die Druckdifferenz zwischen der Meßatmosphäre und der mit der Außenluft als Bezugsatmosphäre in Verbindung stehenden Hohlkammer beweglich verändert wird, wodurch die elektrostatische Kapazität des aus der Oberteil-Gate-Elektrode und der Unterteil- Gate-Elektrode bestehenden Kondensators verändert wird, so daß auch die an dem Kanal anliegende Feldstärke sich ändert.

Der Feldeffekt-Drucksensor der vorliegenden Erfindung wird hinsichtlich weiterer Einzelheiten unter Bezugnahme auf eine erste Ausführungsform der Fig. 1 beschrieben. Bezeichnet werden in Fig. 1 durch die Bezugszahlen
1 ein Silicium-Substrat,
2 eine Source-Elektrode,
3 eine Drain-Elektrode,
4 ein Kanal,
5 einen Gate-Isolierfilm oder eine Gate-Isoliermembran,
6 eine Oberteil-Elektrode (Membran),
7 eine Hilfs- (Unterteil-) Gate-Elektrode und
8 eine Hohlkammer oder einen Hohlraum. Die Bezugszahl
9 bezeichnet eine Öffnung, die den auf dem Silicium- Substrat 1 gebildeten äußeren Teil mit der Hohlkammer 8 vebindet. Die Bezugszahl
10 bezeichnet den Differenzdruck zwischen dem Meßraum und der Hohlkammer 8.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, besteht der Aufbau des Feldeffekt-Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung darin, daß eine Hilfs-Elektrode, d. h. eine Unterteil- Gate-Elektrode 7 auf dem Gate-Isolierfilm 5 des Feldeffekt- Transistors gebildet wird. Weiterhin wird ein Abstandhalter 11 darüber aufgetragen. Nach dem Entfernen des Abstandhalters 11 auf der Gate-Region mittels eines Arbeitsganges des Ätzens wird die aus einer Metallfolie bestehende Oberteil-Elektrode 6 auf dem verbliebenen Abstandhalter 11 gebildet. Außerdem wird vorher in dem Silicium-Substrat 1 eine Öffnung 9 freigehalten, so daß die Hohlkammer 8 so eingerichtet wird, daß sie mit der Bezugsatmosphäre, d. h. dem äußeren Teil des Silicium- Substrats, in Verbindung steht.

Bei dem wie oben beschrieben aufgebauten Drucksensor wird der obere Teil des Gate-Isolierfilms 5 des Feldeffekt- Transistors mit der Hohlkammer 8 versehen, und ein Kondensator wird durch die Oberteil-Gate-Elektrode 6 und die Unterteil-Gate-Elektrode 7 gebildet, die aus Metallfolie bestehen. Die Hohlkammer 8 steht mit der Bezugsatmosphäre über die Öffnung 9 in Verbindung, die in dem Silicium-Substrat eröffnet ist. Die Membran aus der Metallfolie, die die Oberteil-Gate-Elektrode 6 ist, die aus der Metallfolie des Oberteils des Hohlraums 8 besteht, wird durch die Druck-Differenz zwischen der Meßatmosphäre und der Bezugsatmosphäre beweglich variiert. Wenn die Membran durch die Druck-Differenz verschoben wird, ändert sich die elektrostatische Kapazität des Kondensators, der durch die Oberteil-Gate- Elektrode 6 und die Unterteil-Gate-Elektrode 7, die aus der Metallfolie bestehen, gebildet wird, mit der Druckdifferenz, wodurch der Drain-Strom I _D sich entsprechend der nachstehenden Gleichung ändert:

Hierin bedeuten
μ die Träger-Mobilität,
W, L und V _TH jeweils die Kanalbreite, die Kanallänge und die Schwellenspannung des Feldeffekt-Transistors,
V _G die Gate-Spannung und
C _mix eine gemischte elektrostatische Kapazität aus der elektrostatischen Kapazität C _i des Gate-Isolierfilms 5 und der elektrostatischen Kapazität C _cav der Hohlkammer 8, die sich durch Verbindung in Reihe ergibt aus der elektrostatischen Kapaziteät, die sich an dem Hohlraum zwischen der Unterteil- Gate-Elektrode 7 und der Oberteil-Gate-Elektrode 6 ausbildet.

Die Mischkapazität C _mix läßt sich errechnen nach der Formel

Die Kapazität C _cav der Hohlkammer 8 ändert sich, wie oben angegeben ist, mit dem Abstand zwischen der Unterteil- Gate-Elektrode 7 und der Oberteil-Gate-Elektrode 6. Die Abstandsänderung hängt von der Druckdifferenz zwischen der Meßatmosphäre und der Bezugsatmosphäre ab.

Der Feldeffekt-Drucksensor ermittelt den Druck in Abhängigkeit von dem Zustand als Variation der Abgabeleistung (d. h. als Veränderung des Drain-Stromes) des Feldeffekt- Transistors, wobei der Zustand anzeigt, wie die elektrostatische Kapazität des aus der Unterteil-Gate-Elektrode 7 und der Oberteil-Gate-Elektrode 6 (Metallfolien-Membran) über die Hohlkammer 8 der Gate-Region des Oberteils des Feldeffekt-Transistors bestehenden Kondensators sich aufgrund der Druckdifferenz ändert. Es ist schwierig, die Druckdifferenz mittels direkter Messung der elektrostatischen Kapazität des durch die Druckdifferenz zu verändernden Kondensators zu messen, weil die elektrostatische Kapazität so klein ist, daß sie nur mehrere Picofarad (pF) beträgt. Jedoch sind der Feldeffekt- Transistor und der Kondensator integriert, und die Veränderung des Druckes wird nachgewiesen als Veränderung des Drain-Stromes des Feldeffekt-Transistors, so daß die Ausgangs-Impedanz des Elements gesenkt werden kann, die Einflüsse durch Rauschen oder dergleichen schwer zu empfangen sind und die Druckmessung erleichtert wird. Weiterhin verstärkt der Feldeffekt-Drucksensor die Änderung der elektrostatischen Kapazität durch die Druckdifferenz des Kondensators, um sie als Veränderung des Drain-Stromes des Feldeffekt-Transistors nachzuweisen, so daß der Druck mit hoher Empfindlichkeit gemessen werden kann. Da außerdem der Druck-Meßbereich und die Empfindlichkeit hauptsächlich durch die Material- Qualität und die Dicke der metallischen Membran sowie die Abmessungen der Hohlkammer bestimmt werden, kann der Druck-Meßbereich von sehr kleinen bis zu großen Werten des Drucks durch die geeignete Wahl der Element- Struktur des metallischen Folien-Materials frei festgelegt werden.

Der Feldeffekt-Drucksensor in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist den Druck nach mittels der Änderung des Drain-Stromes des Feldeffektes als durch den Druck bewirkte Änderung der elektrostatischen Kapazität des aus der Unterteil-Gate-Elektrode 7 und der Oberteil-Gate-Elektrode 6 (Metallfolien-Membran) über die Hohlkammer 8 der Gate-Region des Oberteils des Feldeffekt- Transistors bestehenden Kondensators, wie in Fig. 1 dargestellt ist. In dem Feldeffekt-Drucksensor, der eine Unterteil-Gate-Elektrode wie diese aufweist, wird die Unterteil-Gate-Elektrode 7 unmittelbar auf dem Gate- Isolierfilm 5 gebildet, so daß die Gleichspannung zum Betrieb des Transistors vermittels der Unterteil-Gate- Elektrode 7 ohne Veränderungen der Transistor-Charakteristik und Driften des Drain-Stromes angelegt werden kann.

In dem Feldeffekt-Drucksensor der vorliegenden Erfindung steht außerdem die Hohlkammer 8 mit der Bezugsatmosphäre über die in dem Silicium-Substrat 1 geschaffene Öffnung 9 wie oben beschrieben in Verbindung, so daß es nicht erforderlich ist, daß in der Hohlkammer 8 der Druck oder das Vakuum konstant gehalten werden müssen, und ein hoher Grad der Luftfeuchtigkeit der Hohlkammer wie im Fall des Drucksensors vom Absolut-Druck-Typ wird nicht verlangt. Außerdem wird der Druck im Inneren der Hohlkammer 8 nicht stark von Temperaturänderungen beeinflußt. Die Metallfolie, die die Oberteil-Gate-Elektrode 6 ist, arbeitet als Membran, die sich aufgrund der Druckdifferenz zwischen der mit der Hohlkammer 8 in Verbindung stehenden Bezugsatmosphäre und der auf die Oberteil-Gate-Elektrode 6 einwirkende Meßatmosphäre beweglich verändert. Wenn die Membran infolge der Druckdifferenz verformt wird, ändert sich die elektrostatische Kapazität des aus der Metallfolien-Membran und der Unterteil-Gate-Elektrode 7 gebildeten Kondensators entsprechend mit der Druckdifferenz. Die Änderung der elektrostatischen Kapazität mit der Druckdifferenz wird als Druck nachgewiesen in Form der Änderung der abgegebenen Leistung des Feldeffekt-Transistors. Da die Membran nur dann verschoben wird, wenn eine Druckdifferenz auftritt, entsprechend der Differenzdruck- Gleichung ohne daß ein konstanter Druck, wie bei dem Drucksensor des Absolut-Druck-Typs, einwirkt, wird normalerweise keine Verzerrung der Membran oder des Abstandhalters verursacht. Wie im Vorstehenden beschrieben wurde, weist der Feldeffekt-Drucksensor vom Differenz- Druck-Typ der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem Feldeffekt-Drucksensor vom Absolut-Druck-Typ, der von der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung früher vorgeschlagen wurde, die folgenden Vorteile auf:

1) Da bei dem Drucksensor vom Differenz-Druck-Typ die Hohlkammer über die Öffnung mit der Bezugsatmosphäre in Verbindung steht, ist es unnötig, in der Hohlkammer den Druck oder das Vakuum konstant zu halten. Die vollständige Luftdichtigkeit der Hohlkammer oder die vollständige Verklebung von Abstandhalter und Metallfolien-Membran werden nicht verlangt.

2) Da die Hohlkammer mit der Bezugsatmosphäre in Verbindung steht, sind die Einflüsse von Temperaturschwankungen im Inneren der Hohlkammer auf die Druckänderungen klein, was eine nur geringfügige bewegliche Änderung der Metallfolien-Membran aufgrund der Temperaturschwankungen zur Folge hat.

3) Druck wirkt, anders als bei dem Feldeffekt-Drucksensor vom Absolut-Druck-Typ, nicht auf die Metallfolien- Membran ein; die bewegliche Veränderung der Membran tritt nur dann ein, wenn zwischen der Hohlkammer und der Meßatmosphäre eine Druckdifferenz verursacht wurde, so daß normalerweise keine Verzerrung der Membran oder des Abstandhalters stattfindet, was eine Fertigung von Sensoren ermöglicht, die eine längere Nutzungsdauer haben.

Der Feldeffekt-Drucksensor der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden auch noch im Zusammenhang mit einer zweiten Ausführungsform der Fig. 2 beschrieben. Die zweite Ausführungsform besteht darin, daß entweder eine Hohlkammer oder eine Isolierschicht, die unter Druckeinwirkung expandierbar oder kontrahierbar ist, auf der Oberseite des Oberteils des Gate-Isolierfilms eines Feldeffekt-Transistors vorgesehen ist, eine Gate-Elektrode, die durch den Druck auf die Hohlkammer beweglich verformt werden kann, auf dem Gate-Isolierfilm vermittels der Hohlkammer oder der Isolierschicht gebildet wird, eine Hilfselektrode zusätzlich angebracht wird auf der Grenzfläche des absoluten Films, der expandiert oder kontrahiert mittels des Gate-Isolierfilms, der Hohlkammer oder dem Gate-Isolierfilm, wobei der Druck als Änderung des Drain-Stroms des Feldeffekt-Transistors nachgewiesen wird.

In den oben beschriebenen Anordnungen wird die mittels der Hohlkammer oder dem Isolierfilm, der expandiert oder kontrahiert werden kann auf dem Gate-Isolierfilm angeordnete Oberteil-Gate-Elektrode durch die Kraft beweglich deformiert, so daß sich der Abstand zwischen der Oberteil-Gate-Elektrode und der Unterteil-Gate-Elektrode ändert, wodurch eine Änderung der an den Kanal anzulegenden Feldstärke verursacht wird. Als Folge davon wird der Druck in Form der Änderung des Drain-Stroms des Feldeffekt-Transistors nachgewiesen. Außerdem wird die Gleichspannung zum Betrieb des Transistors vermittels der Unterteil-Gate-Elektrode angelegt, um Veränderungen der Transistor-Charakteristik und Driften des Drain- Stromes zu verhüten.

Fig. 2 zeigt den Aufbau des Feldeffekt-Drucksensor in Verbindung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bezeichnet werden in Fig. 2 durch die Bezugszahlen
1 ein Silicium-Substrat,
2 eine Source-Elektrode,
3 eine Drain-Elektrode,
4 ein Kanal,
5 einen Gate-Isolierfilm,
6 eine Oberteil-Elektrode (Membran),
7 eine Hilfs- (d. h. Unterteil-) Gate-Elektrode,
9 eine Hohlkammer und
10 einen Druck.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, bildet der Aufbau des Feldeffekt-Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung eine Hilfs-Elektrode (d. h. eine Unterteil-Gate-Elektrode) 7 auf dem Gate-Isolierfilm 5 des Feldeffekt-Transistors. Weiterhin wird ein Abstandhalter 11 darüber aufgetragen. Nach dem Entfernen des Abstandhalters 11 auf der Gate-Region mittels eines Arbeitsganges des Ätzens wird die aus einer Metallfolie bestehende Oberteil- Elektrode 6 auf dem verbliebenen Abstandhalter gebildet.

Bei dem wie oben beschrieben aufgebauten Drucksensor bilden der obere Teil des Gate-Isolierfilms 5 des Feldeffekt- Transistors und die Oberteil-Gate-Elektrode 6 die Hohlkammer 9. Die Oberteil-Gate-Elektrode 6 und die Unterteil-Gate-Elektrode 7 bilden den Kondensator. Die aus Metallfolie bestehende Oberteil-Gate-Elektrode 6 arbeitet als Membran, die durch die Druck-Differenz zwischen der Hohlkammer 9 und äußeren Atmosphäre beweglich verformt wird. Wenn die Membran durch die Druck- Differenz verschoben wird, ändert sich die elektrostatische Kapazität des Kondensators, der durch die Oberteil- Gate-Elektrode 6 und die Unterteil-Gate-Elektrode 7, die aus der Metallfolie bestehen, gebildet wird, mit der Druckdifferenz, wodurch der Drain-Strom I _D sich entsprechend der nachstehenden Gleichung ändert:

Hierin bedeuten
μ die Träger-Mobilität,
W, L und V _TH jeweils die Kanalbreite, die Kanallänge und die Schwellenspannung der Feldeffekt-Transistor- Vorrichtung,
V _G die Gate-Spannung und
C _mix eine gemischte elektrostatische Kapazität aus der elektrostatischen Kapazität C _i des Gate-Isolierfilms 5 und der elektrostatischen Kapazität C _cav der Hohlkammer 9, nämlich eine gemischte elektrostatische Kapazität, die sich durch Verbindung in Reihe ergibt aus der elektrostatischen Kapazität, die sich an dem Hohlraum zwischen der Unterteil- Gate-Elektrode 7 und der Oberteil-Gate-Elektrode 6 ausbildet.

Die Mischkapazität C _mix läßt sich errechnen nach der Formel

Die Kapazität C _cav der Hohlkammer ändert sich, wie oben angegeben ist, mit dem Abstand zwischen der Unterteil- Gate-Elektrode 7 und der Oberteil-Gate-Elektrode 6. Die Abstandsänderung hängt vom Atmosphärendruck ab.

Man nehme an, daß die Hohlkammer 9 zylindrisch ist, ihr Durchmesser 1 mm beträgt, die Dicke des Abstandhalters 11 3 µm beträgt, der Durchmesser der kreisförmigen Unterteil-Gate-Elektrode 7 0,7 mm beträgt, das Material der die Oberteil-Gate-Elektrode 6 bildenden Metallfolien- Membran 6 Kupfer ist, dessen Dicke 10 µm beträgt und die elektrostatische Kapazität des aus der metallischen Folie 6 und der Unterteil-Gate-Elektrode 7 sich infolge der Druckdifferenz zwischen der Hohlkammer 9 und der äußeren Atmosphäre entsprechend der Darstellung in Fig. 3 ändert. Die elektrostatische Kapazität ohne Vorliegen der Druckdifferenz beträgt 1,13 pF. Wenn der Druck der äußeren Atmosphäre um 0,2 Atmosphären höher wird als derjenige in der Hohlkammer, wird die die Oberteil-Gate-Elektrode 6 bildende Membran auf der Seite der Hohlkammer 9 durchgebogen, so daß die elektrostatische Kapazität auf 1,72 pF, auf das 1,51fache, ansteigt.

Der Feldeffekt-Drucksensor ermittelt den Druck als Änderung der Abgabeleistung des Drain-Stroms in dem Feldeffekt- Transistors, wobei der Zustand anzeigt, wie die elektrostatische Kapazität des aus der Unterteil-Gate- Elektrode 7 und der Oberteil-Gate-Elektrode 6 (d. h. der Metallfolien-Membran) über die Hohlkammer 9 der Gate- Region des Oberteils des Feldeffekt-Transistors bestehenden Kondensators sich durch den Druck ändert. Es ist schwierig, die Druckänderung mittels direkter Messung der elektrostatischen Kapazität des durch die Druckdifferenz zu verändernden Kondensators zu messen, weil die elektrostatische Kapazität so klein ist, daß sie nur mehrere Picofarad (pF) beträgt. Jedoch sind der Feldeffekt- Transistor und der Kondensator integriert, und die Veränderung des Druckes wird nachgewiesen als Veränderung des Drain-Stromes des Feldeffekt-Transistors, so daß die Ausgangs-Impedanz des Elements gesenkt werden kann, die Einflüsse durch Rauschen oder dergleichen schwer zu empfangen sind und die Druckmessung erleichtert wird. Weiterhin verstärkt der Feldeffekt-Drucksensor die Änderung der elektrostatischen Kapazität durch die Druckdifferenz des Kondensators, um sie als Veränderung des Drain-Stromes des Feldeffekt-Transistors nachzuweisen, so daß der Druck mit hoher Empfindlichkeit gemessen werden kann. Da außerdem der Druck-Meßbereich und die Empfindlichkeit hauptsächlich durch die Material- Qualität und die Dicke der metallischen Membran sowie die Abmessungen der Hohlkammer bestimmt werden, kann der Druck-Meßbereich von sehr kleinen bis zu großen Werten des Drucks durch die geeignete Wahl der Element- Struktur des metallischen Folien-Materials frei festgelegt werden.

Bei dem Feldeffekt-Drucksensor der vorliegenden Erfindung wird eine Hohlkammer auf der Grundplatte angeordnet, eine Elektrode wird im unteren Teil des hohlen Teils gebildet, und eine bewegliche Elektrode wird im oberen Teil der Hohlkammer gebildet. Zur Herstellung einer derartigen Hohlkammer wird aus einem sublimierenden oder in der Wärme zersetzlichen Material ein in einem bestimmten Muster gestalteter Film auf dem Substrat gebildet, und der gemusterte Film wird mit einem organischen und/oder anorganischen Material bedeckt, das wärmebeständig ist. Danach wird das sublimierende oder in der Wärme zersetzliche Material erhitzt und durch die Öffnung entfernt, wodurch eine winzige Hohlkammer gebildet wird.

In der vorliegenden Erfindung wird ein Material eingesetzt, das bei Erhitzen sublimiert oder sich zersetzt. Diese Materialien werden während des Arbeitsganges des Erhitzens verdampft und durch die Öffnung entfernt, wodurch die Höhlung hergestellt wird. Naphthalin, Campher, Ammoniumformiat, Iod, Poly-α-methylstyrol oder dergleichen kommen als sublimierendes oder zersetzliches Material in Betracht. Ein Fall, in dem Poly-α-methylstyrol verwendet wird, wird im Folgenden als Beispiel beschrieben.

Fig. 4 zeigt Darstellungen des Verfahrens zur Bildung des winzigen Hohlraums auf dem Feldeffekt-Transistor (FET) mit Hilfe von Poly-α-methylstyrol. Der Isolierfilm 11 aus SiO₂, Si₃N₄ oder dergleichen, der ein Abstandhalter wird, wird auf dem Siliciumsubstrat 1 gebildet, um den Isolierfilm im Gate-Bereich des FET zu ätzen {Fig. 4(a)}. Eine Lösung von Poly-α-methylstyrol in Methylcellosolveacetat wird zur Bildung des Films durch Spinnbeschichten auf das Silicium-Plättchen aufgebracht. Das Poly-α-methylstyrol wird nivelliert und geätzt, so daß der Isolierfilm aus dem Abstandhalter den Umfang des Poly-α-methylstyrols 12 umgibt, wie in Fig. 4(b) dargestellt, so daß das Poly-α-methylstyrol und der Isolierfilm in ihrer Dicke gleich werden. Weiterhin wird eine Schicht aus Aluminium, Nickel oder Sio₂ 6 auf diesen Filmen gebildet, und anschließend wird die Öffnung 9 am Endstück des gemusterten Poly-α-methylstyrols mittels Ätzens des Siliciums von der Rückseite des Silicium- Plättchens hergestellt {Fig. 4(c)}. Schließlich wird das Poly-α-methylstyrol 12 zersetzt und aus der Phase der Fig. 4(c) durch einen Arbeitsgang des Erhitzens auf 150°C oder mehr im Vakuum durch die Öffnung entfernt, wodurch der winzige Hohlraum 8 in dem FET gebildet wird {Fig. 4(d)}. Wenn der Hohlraum unter Einsatz von Poly- α-methylstyrol hergestellt wird, wie in Fig. 4(d) gezeigt ist, kann die Öffnung in dem hohlen Endteil angebracht sein. Weiterhin läßt sich der Hohlraum selbst dann einfach herstellen, wenn die Form des Hohlraums kompliziert ist. Dies wird in Fig. 5 für eine andere Ausführungsform beschrieben. Fig. 5(a) zeigt, daß das Poly-α-methylstyrol so gemustert ist, daß auf dem Substrat zwei Hohlräume verbunden werden können. Der Film aus Al und der Film aus Ni 16 wird auf das Muster 14, 15 aus Poly-α-methylstyrol laminiert. Danach wird nur die Rückseite eines Hohlraum-Teils der beiden Hohlraum-Teile geätzt, wodurch die Öffnung 9 in dem Substrat gebildet wird {Fig. 5(b)}. Anschließend erfolgt das Erhitzen auf die Temperatur von 150°C im Vakuum, so daß das Poly-α-methylstyrol des Hohlraums 18 zersetzt wird, wodurch der Hohlraum 18 gebildet wird {Fig. 5(c)}. Durch Weiterführen des Vakuumerhitzens wird das Poly-α- methylstyrol des anschließenden Hohlraums 19 ebenfalls zersetzt, wodurch die zwei miteinander verbundenen Hohlräume 18, 19 gebildet werden {Fig. 5(d)}. Wenn sich die mit dem äußeren Teil in Verbindung stehende Öffnung zu einem Hohlraum hin erstreckt, kann der Hohlraum selbst dann durch den Arbeitsgang des Erhitzens gebildet werden, wenn die Gestalt des Hohlraums wie in diesem Fall kompliziert ist. Das in der vorliegenden Erfindung eingesetzte Poly-α-methylstyrol hat in den angegebenen Ausführungsformen einen Polymerisationsgrad von etwa 360, jedoch liegt der Polymerisationsgrad des Poly-α- methylstyrols zweckmäßigerweise im Bereich von etwa 50 bis etwa 5000. Wenn der Polymerisationsgrad zu niedrig ist, wird der Erweichungspunkt des Poly-α-methylstyrols niedriger, und bei der Musterbildung wird die Präzision schlechter. Wenn demgegenüber der Polymerisationsgrad hoch ist, wird die Viskosität der Lösung so groß, daß das Auftragen schwierig wird. Bei dem Verfahren des Herstellens des winzigen Hohlraums mit Hilfe eines Stoffes, der durch Sublimation oder Zersetzung entfernt wird, wie im Vorstehenden beschrieben wurde, läßt sich der Hohlraum in einfacher Weise auch ohne die Anwendung des Naßätzens bilden, und weiterhin können Hohlräume mit einfacher oder komplizierter Form gebildet werden. Dies ist in hohem Grade wirksam, wenn die die Hohlräume nutzende Vorrichtung, insbesondere der Drucksensor oder dergleichen, hergestellt wird.

Claims

1. Feldeffekt-Drucksensor, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hohlkammer in dem oberen Teil des Gate-Isolierfilms eines ein Halbleiter-Substrat verwendenden Feldeffekt- Transistors angebracht wird,
eine durch Druck beweglich verformbare Gate-Elektrode auf der Hohlkammer gebildet wird,
eine Öffnung, die die Hohlkammer mit dem äußeren Teil verbindet, innerhalb des Halbleiter-Substrats gebildet wird, wodurch die Hohlkammer in Form einer Änderung des Drain-Stroms des Feldeffekt-Transistors meßbar wird.

2. Feldeffekt-Drucksensor, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hohlkammer in dem oberen Teil des Gate-Isolierfilms eines Feldeffekt-Transistors angebracht wird,
eine durch Druck beweglich verformbare Gate-Elektrode mittels der Hohlkammer gebildet wird,
eine Hilfselektrode zusätzlich auf der Feldfläche des Gate-Isolierfilms und der Hohlkammer aufgebracht ist, wodurch die Druckdifferenz zwischen der Meßatmosphäre und der Hohlkammer in Form einer Änderung des Drain- Stroms des Feldeffekt-Transistors meßbar wird.

3. Feldeffekt-Drucksensor, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolierschicht, die unter Druck expandiert oder kontrahiert wird, auf dem oberen Teil eines Gate- Isolierfilms eines Feldeffekt-Transistors angebracht wird,
eine durch Druck beweglich verformbare Gate-Elektrode auf dem Gate-Isolierfilm mittels Isolierschicht gebildet wird,
eine Hilfselektrode zusätzlich auf der Feldfläche des Gate-Isolierfilms und der Isolierschicht aufgebracht ist, der expandiert oder kontrahiert wird, wodurch der Druck in Form einer Änderung des Drain-Stroms des Feldeffekt- Transistors meßbar wird.